ЕКОЛОГІЧНА БІОХІМІЯ - Навчальний посібник - В. М. Ісаєнко 2005

Розділ І. ВІРУСНІ ІНФЕКЦІЇ ТА РЕАКЦІЯ НА НИХ ОРГАНІЗМІВ (загальні уявлення)

1.1.  Взаємодія вірусів з бактеріями

Віруси, які вражають бактерії, називають бактеріофагами, або фагами (гр. phagos — пожираючий) бактерій. На даний час виявлено бактеріофаги, які інфікують понад 100 видів бактерій.

Найкраще морфологію вивчено в булавоподібних фатів, основними частинами яких є голівка з білковою оболонкою (капсидом) та відросток. Структурні елементи відростка — зовнішній чохлик, внутрішній стрижень і нитки відростка, базальна пластинка із зубчиками.

Наявність твердої клітинної стінки в більшості прокаріот потребує особливих механізмів для проникнення чи виходу бактеріофагів. Прокаріоти популяційно більш-менш подібні до клітин, що продовжують розмножуватися, поки є відповідне поживне середовище. Взаємодія віріонів фатів з бактеріями відбувається в бактеріальній культурі циклічно, поки не настане деякий рівноважний стан, що

визначається кількістю клітин-господарів і вірусних елементів та швидкістю їх відтворення. Інша ситуація виникає тоді, коли бактерії здатні до диференціювання, наприклад за зміни станів.

За хімічним складом бактеріофаги мають відносно просту будову, містять геномну нуклеїнову кислоту, білок, незначну кількість ліпідів і вуглеводів. Нуклеїнова кислота в більшості бактеріофагів становить дволанцюгову ДНК, можливі також одноланцюгові ДНК чи РНК, дволанцюгова РНК.

Бактеріофаги мають кілька білків, насамперед структурних, які становлять капсид голівки та елементи відростка (чохла, стрижня, базальної пластинки та ниток). У голівці булавоподібних бактеріофагів є також внутрішній білок (3—7 % загального вмісту білка). У певних фагів виявлено також ферменти лізоцим, фосфатаза та деякі інші.

Процес інфікування фатами бактерій складається з кількох етапів. Перший з них — це специфічне пізнавання нитками відростка (фібрилами) фата визначених ділянок на поверхні клітини-господаря, які містять специфічні рецептори. До цих ділянок фаг прикріплюється. Потім настає приєднання зубчиків базальної пластинки. Далі стрижень відростка від’єднується від базальної пластинки, чохлик відростка скорочується та із силою проштовхує стрижень відростка через «м’які» шари оболонки бактерії, які складаються з ліпопротеїдів і глікополісахаридів. Подальше проникнення стрижня відбувається завдяки дії ферменту типу лізоциму. В утворений отвір за рахунок стискування відростка (АТФ-залежний процес) уприскується всередину бактерії нуклеїнова кислота голівки бактеріофага.

Крім геномної нуклеїнової кислоти всередину бактеріальної клітини ін’єкується також невелика кількість білка та деяких інших речовин, у тому числі олігопептидів і поліамінів.

З моменту проникнення нуклеїнової кислоти в бактерію розпочинається її взаємодія з клітиною — латентний період внутрішньоклітинного розмноження бактеріофага. У цій стадії нуклеїнова кислота спричиняє швидку перебудову внутрішньоклітинних процесів у бактеріальній клітині, цілком спрямовуючи їх на утворення нових віріонів фата. На початку цієї стадії ініціюється утворення ферментів, які каталізують процеси реплікації фагової нуклеїнової кислоти з використанням нуклеїнових кислот самої бактерії. Дещо пізніше в бактеріальній клітині розпочинається синтез білків фата. В результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів віріонів фата. Ще один продукт цього процесу — це синтез фагового лізину. Після синтезу всіх компонентів фата здійснюється утворення цілісного віріона.

Утворені літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фата, можуть розкладати щільний пептидоглікановий шар клітинної стінки бактерії. Наслідком цього процесу є лізис клітин бактерії та вихід нових віріонів фага.

Крім літичної взаємодії фага з бактерією, яка закінчується лізисом ураженої клітини, існує також лізогенна взаємодія. При цьому геном фага в неінфекційній формі передається бактеріальними клітинами з покоління в покоління, причому час від часу в деякій кількості клітин синтезуються відповідні віріони, що лізують ці клітини та виходять потім у зовнішнє середовище. Лізогенні клітини, повторно заражені цими віріонами, не лізуються (тому що вони мають імунітет до цього фага), тож лізогенна культура продовжує нормально рости. Наявність вільних віріонів можна виявити шляхом впливу на клітини яких-небуть інших, нелізогенних штамів бактерій, які візуються даним фатом. Фати, здатні лізогенізувати бактерії, що заражаються ними, називаються помірними. Варто, однак, пам’ятати, що навіть помірні фати за першої інфекції чутливих до них бактерій спричиняють продуктивну інфекцію в багатьох чи навіть у всіх клітинах.

Виникнення лізогенних, або візуючих, клітин потребує перебігу певних процесів. Імовірність появи таких клітин варіює від фага до фага та залежить від умов культивування. За утворення стійкої лізогенної клітинної лінії має бути дотримано таких двох умов. По-перше, профаг має міститися в клітині в такому стані, щоб за клітинного поділу кожна дочірня клітина одержувала щонайменше одну його копію. У разі фага це завдання вирішується шляхом включення його ДНК у бактеріальну хромосому, у результаті чого ДНК профага пасивно реплікується та сегрегується за допомогою апарату клітини-господаря. По-друге, ті вірусні гени, продукти яких потенційно здатні порушити цілісність клітини, мають регулюватися так, щоб клітини могли безперешкодно рости та розмножуватися. Це досягається шляхом репресії транскрипції генів. У клітинах, лізогенних по фаіу, не повинен транскрибуватися жоден із вірусних генів, необхідних для продукування інфекції. Однак під впливом різних чинників або спонтанно в лізогенних клітинах можливе перетворення бактеріофага, і він стає агресивним для бактеріальної клітини.